ES2752731T3 - Electric generator system - Google Patents
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Abstract
Un sistema generador eléctrico (10, 110, 210) que incluye: un material de radionucleido (14,114,214); electrodos metálicos (24, 26,124,126, 224, 226); y contactos eléctricos conectados a dichos electrodos (24, 26,124,126, 224, 226), dichos contactos eléctricos están adaptados para facilitar el flujo de energía eléctrica cuando están conectados a una carga; caracterizado porque el sistema incluye además una capa delgada de óxido de zinc (22,122, 222) que tiene un espesor entre 150-1500 nm, estando dicha capa delgada de óxido de zinc en contacto directo con al menos uno de los electrodos (24, 26,124,126, 224, 226) y formando una unión de metal-semiconductor entre ellos y porque las emisiones radiactivas recibidas de dicho material de radionucleidos se convierten en energía eléctrica en dicha unión de metal-semiconductor.An electric generator system (10, 110, 210) including: a radionuclide material (14,114,214); metal electrodes (24, 26,124,126, 224, 226); and electrical contacts connected to said electrodes (24, 26,124,126, 224, 226), said electrical contacts are adapted to facilitate the flow of electrical energy when connected to a load; characterized in that the system further includes a thin layer of zinc oxide (22,122, 222) having a thickness between 150-1500 nm, said thin layer of zinc oxide being in direct contact with at least one of the electrodes (24, 26,124,126 , 224, 226) and forming a metal-semiconductor junction between them and because the radioactive emissions received from said radionuclide material are converted into electrical energy at said metal-semiconductor junction.
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Sistema generador eléctricoElectric generator system
CAMPO TÉCNICOTECHNICAL FIELD
La presente invención se refiere al campo de la generación eléctrica y, en particular, a la energía eléctrica convertida a partir de la energía de las emisiones radiactivas.The present invention relates to the field of electrical generation and, in particular, to electrical energy converted from the energy of radioactive emissions.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
Las células de energía proporcionan una fuente autónoma de energía eléctrica para impulsar una carga externa. Un ejemplo común de una célula de energía eléctrica es una batería electroquímica. Si bien las baterías electroquímicas son efectivas para satisfacer las necesidades de energía durante un período de tiempo a un costo relativamente bajo, el factor limitante es la energía disponible definida por el tipo de material y el peso. Debido al limitado almacenamiento de energía y la densidad energética de las baterías electroquímicas con respecto a su masa, se han realizado varios intentos de producir células de energía alternativas, como las baterías alimentadas por isótopos radiactivos debido a los límites teóricos más altos de la densidad de energía.Power cells provide an autonomous source of electrical energy to drive an external load. A common example of an electric power cell is an electrochemical battery. While electrochemical batteries are effective in meeting energy needs over a period of time at relatively low cost, the limiting factor is the available energy defined by the type of material and weight. Due to the limited energy storage and energy density of electrochemical batteries relative to their mass, several attempts have been made to produce alternative energy cells, such as batteries powered by radioactive isotopes due to the higher theoretical limits of the density of Energy.
Existen varios tipos diferentes de baterías alimentadas por radioisótopos. Una vez que ese tipo es un generador de radio térmica (RTG) que utiliza el calor producido durante la descomposición del material radiactivo para producir energía eléctrica. Estos dispositivos tienen una baja eficiencia de conversión de la energía térmica en energía eléctrica. En consecuencia, los RTG generalmente se usan con radioisótopos de muy alta energía para producir una fuente de energía eléctrica y generalmente requieren un blindaje sustancial. Además, la salida de energía eléctrica es baja.There are several different types of batteries powered by radioisotopes. Once that type is a radio thermal generator (RTG) that uses the heat produced during the decomposition of radioactive material to produce electrical energy. These devices have a low efficiency of converting thermal energy into electrical energy. Consequently, RTGs are generally used with very high energy radioisotopes to produce an electrical power source and generally require substantial shielding. Also, the electrical power output is low.
Otro tipo de batería alimentada por radioisótopos es un dispositivo de conversión indirecta que utiliza un radioisótopo, material luminiscente y una célula fotovoltaica. Las partículas de descomposición emitidas por el radioisótopo excitan el material luminiscente. La luz emitida por el material luminiscente es absorbida por las células fotovoltaicas para generar electricidad. Este tipo de batería generalmente tiene una baja eficiencia debido a la conversión de dos etapas y una vida útil relativamente corta porque el material luminiscente se daña por las emisiones.Another type of radioisotope powered battery is an indirect conversion device that uses a radioisotope, luminescent material, and a photovoltaic cell. Decomposition particles emitted by the radioisotope excite the luminescent material. The light emitted by the luminescent material is absorbed by the photovoltaic cells to generate electricity. This type of battery generally has low efficiency due to two-stage conversion and a relatively short lifespan because the luminescent material is damaged by emissions.
Otro ejemplo de una batería alimentada por radioisótopos es un dispositivo de conversión directa que utiliza un radioisótopo y material semiconductor. Los semiconductores convencionales son de uso limitado en esta aplicación, ya que sufren daños por radiación colateral de los productos de desintegración de radioisótopos. En particular, las partículas beta incidentes de alta energía crean defectos en el semiconductor que dispersan y atrapan los portadores de carga generados. El daño se acumula y con el tiempo reduce el rendimiento de la batería.Another example of a radioisotope powered battery is a direct conversion device that uses a radioisotope and semiconductor material. Conventional semiconductors are of limited use in this application as they suffer collateral radiation damage from radioisotope decay products. In particular, high-energy incident beta particles create semiconductor defects that scatter and trap generated charge carriers. Damage accumulates and over time reduces battery performance.
El documento US 5.260.621 describe una batería nuclear de estado sólido que comprende una fuente de radiación de energía relativamente alta, con generación de calor concomitante, y un semiconductor cristalino a granel como AlGaAs, que se caracteriza por la generación de defectos en respuesta al radioisótopo. El material se elige de modo que el daño por radiación se repare recociendo a la temperatura de funcionamiento elevada de la batería. Este dispositivo tiene una baja eficiencia, lo que requiere el uso de una fuente de radiación de alta energía y también requiere temperaturas de funcionamiento elevadas para funcionar.US 5,260,621 describes a solid state nuclear battery comprising a relatively high energy radiation source, with concomitant heat generation, and a crystalline bulk semiconductor like AlGaAs, characterized by the generation of defects in response to radioisotope. The material is chosen so that radiation damage is repaired by annealing at the high operating temperature of the battery. This device has a low efficiency, which requires the use of a high energy radiation source and also requires high operating temperatures to operate.
El documento US 5859484 enseña una batería de semiconductores alimentados por radioisótopos de estado sólido que comprende un sustrato de material semiconductor cristalino como GaInAsP. Esta batería utiliza preferentemente un radioisótopo que emite solo partículas de baja energía para minimizar la degradación del material semiconductor para maximizar la vida útil. El efecto de usar una fuente de radiación de energía más baja es una potencia de salida máxima más baja.US 5859484 teaches a solid state radioisotope powered semiconductor battery comprising a substrate of crystalline semiconductor material such as GaInAsP. This battery preferably uses a radioisotope that emits only low-energy particles to minimize degradation of the semiconductor material to maximize service life. The effect of using a lower energy radiation source is a lower maximum output power.
Otro dispositivo de este tipo se describe en el documento US 6479919, que describe una célula beta que incorpora compuestos de boruro icosaédrico, por ejemplo B12P2 o B12As2, una fuente de radiación beta y un medio para transmitir energía eléctrica a una carga exterior. La fabricación de arseniuro de boro y fosfuro de boro es costosa, lo que aumenta el costo de producción de este tipo de dispositivos. Además, la producción de tales dispositivos ha aumentado los riesgos para la salud, la seguridad y el medio ambiente asociados con el manejo de los materiales de arseniuro y fosfuro.Another such device is described in US 6479919, which describes a beta cell incorporating icosahedral boride compounds, for example B12P2 or B12As2, a source of beta radiation and a means of transmitting electrical energy to an external load. The manufacture of boron arsenide and boron phosphide is expensive, which increases the production cost of this type of device. Furthermore, the production of such devices has increased the health, safety and environmental risks associated with the handling of arsenide and phosphide materials.
Las células alimentadas por radiación también se pueden encontrar en los documentos US 2.847.585 y WO 2016/074044.Radiation fed cells can also be found in US 2,847,585 and WO 2016/074044.
En resumen, los problemas con las células alimentadas por radioisótopos actualmente disponibles incluyen la ineficiencia de la conversión de la energía emitida en energía eléctrica, el daño por radiación que afecta los materiales del dispositivo, los requisitos de blindaje para las fuentes nucleares de alta energía y el material semiconductor que está sujeto a degradación.In summary, the problems with radioisotope-fed cells currently available include inefficiency in converting emitted energy to electrical energy, radiation damage affecting materials of the device, the shielding requirements for high-energy nuclear sources, and the semiconductor material that is subject to degradation.
Es un objetivo de la presente invención proporcionar una célula de energía de radioisótopos que exhiba un equilibrio mejorado entre durabilidad y potencia de salida.It is an objective of the present invention to provide a radioisotope power cell that exhibits an improved balance between durability and power output.
RESUMEN DE LA INVENCIÓNSUMMARY OF THE INVENTION
De acuerdo con la presente invención, se proporciona un sistema generador eléctrico que incluye: un material de radionucleido; electrodos de metal; y contactos eléctricos conectados a dichos electrodos, dichos contactos eléctricos están adaptados para facilitar el flujo de energía eléctrica cuando están conectados a una carga; caracterizado porque el sistema incluye además una capa delgada de óxido de zinc que tiene un espesor entre 150-1500 nm, estando dicha capa delgada de óxido de zinc en contacto directo con al menos uno de los electrodos y formando una unión de metalsemiconductor entre ellos; y porque las emisiones radiactivas recibidas de dicho material de radionucleidos se convierten en energía eléctrica en dicha unión de metal-semiconductor.In accordance with the present invention, an electric generator system is provided including: a radionuclide material; metal electrodes; and electrical contacts connected to said electrodes, said electrical contacts are adapted to facilitate the flow of electrical energy when connected to a load; characterized in that the system further includes a thin layer of zinc oxide having a thickness between 150-1500 nm, said thin layer of zinc oxide being in direct contact with at least one of the electrodes and forming a metal-semiconductor junction between them; and because the radioactive emissions received from said radionuclide material are converted into electrical energy at said metal-semiconductor junction.
Los inventores descubrieron que el uso de óxido de zinc tenía resultados sorprendentes. Si bien el óxido de zinc es un semiconductor intrínseco de tipo n, tiene aplicaciones comerciales limitadas o nulas como material semiconductor debido a la falta de materiales ZnO de tipo p dopados estables. En consecuencia, se considera una mala elección de material semiconductor para formar uniones pn, que ha sido la dirección principal para estructurar células alimentadas por radioisótopos.The inventors discovered that the use of zinc oxide had surprising results. Although zinc oxide is an n-type intrinsic semiconductor, it has limited or no commercial applications as a semiconductor material due to the lack of stable doped p-type ZnO materials. Consequently, it is considered a poor choice of semiconductor material to form pn junctions, which has been the main direction for structuring radioisotope-fed cells.
Se ha descubierto que las opciones tradicionalmente aceptadas de materiales semiconductores, como GaAs, GaInAs; o Si, Si-C; o CdTe; etc., se degradan estructuralmente cuando se exponen a altos niveles de radiación.Traditionally accepted options for semiconductor materials, such as GaAs, GaInAs; o Yes, Si-C; or CdTe; etc., are structurally degraded when exposed to high levels of radiation.
El inventor descubrió que el óxido de zinc, cuando se emplea con un espesor apropiado, podría soportar altos niveles de radiación y podría, cuando se utiliza como parte de una unión de metal-semiconductor (en oposición a una unión pn), proporcionar una salida de generación eléctrica favorable.The inventor discovered that zinc oxide, when used with an appropriate thickness, could withstand high levels of radiation and could, when used as part of a metal-semiconductor junction (as opposed to a pn junction), provide an output favorable electricity generation.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Las realizaciones de la presente invención se describirán ahora con referencia a los dibujos adjuntos, en los que: La figura 1 es un gráfico que muestra la variación en la corriente generada con la variación en el espesor del óxido de zinc en pruebas con un voltaje aplicado de 3V;Embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings, in which: Figure 1 is a graph showing the variation in current generated with the variation in thickness of zinc oxide in tests with an applied voltage 3V;
La figura 2 es un gráfico que muestra la variación en la corriente generada con la variación en el espesor del óxido de zinc con diferentes materiales de electrodo y configuraciones en pruebas con un voltaje aplicado de 3V;Figure 2 is a graph showing the variation in current generated with the variation in zinc oxide thickness with different electrode materials and test configurations with an applied voltage of 3V;
La figura 3 es un gráfico que muestra la variación de la corriente generada contra el voltaje aplicado con una distancia variable del radionucleido desde la capa de óxido de zinc;Figure 3 is a graph showing the variation of the generated current against the applied voltage with a variable distance of the radionuclide from the zinc oxide layer;
La figura 4 es una vista esquemática de una primera realización de un dispositivo de fuente de alimentación;Fig. 4 is a schematic view of a first embodiment of a power supply device;
La figura 5 es un esquema de una realización alternativa de un dispositivo de fuente de alimentación;Figure 5 is a schematic of an alternative embodiment of a power supply device;
La figura 6 es un esquema de una realización alternativa de un dispositivo de fuente de alimentación;Figure 6 is a schematic of an alternative embodiment of a power supply device;
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓNDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invención se describirá principalmente con referencia a ejemplos ilustrativos particulares. Se entenderá que los principios de la presente invención pueden implementarse usando variaciones de características en las implementaciones particulares ilustradas y descritas. Los ejemplos deben considerarse como ilustrativos y no limitativos de los amplios conceptos inventivos descritos en esta invención.The present invention will be described mainly with reference to particular illustrative examples. It will be understood that the principles of the present invention can be implemented using variations of features in the particular illustrated and described implementations. The examples are to be considered as illustrative and not limiting of the broad inventive concepts described in this invention.
Una implementación de la presente invención es un sistema de generación eléctrica que emplea un material semiconductor de tipo n que tiene electrodos metálicos en contacto con el material semiconductor, y expone la disposición a la radiación de un material de radionucleido. Las emisiones radiactivas se convierten en energía eléctrica en la unión metal-semiconductor formada entre los electrodos y el material semiconductor. Para el flujo de energía eléctrica generada, es importante que haya una diferencia potencial entre los electrodos. Por lo tanto, debe haber una diferencia significativa en el área de contacto de metal a semiconductor entre los electrodos para que se cree una mayor generación de carga en un electrodo en comparación con el otro. El electrodo que tiene una mayor acumulación de carga se convierte efectivamente en el terminal negativo y el otro electrodo se convierte en el terminal positivo. Para maximizar la generación eléctrica en una célula de energía de radioisótopos, es deseable usar una fuente de radiación de nivel de energía relativamente alto y una alta densidad de actividad. Sin embargo, la mayoría de los materiales semiconductores no pueden soportar niveles de energía tan altos y se degradan estructuralmente con la exposición.An implementation of the present invention is an electrical generation system that employs an n-type semiconductor material that has metal electrodes in contact with the semiconductor material, and exposes the radiation arrangement of a radionuclide material. Radioactive emissions are converted into electrical energy at the metal-semiconductor junction formed between the electrodes and the semiconductor material. For the flow of electrical energy generated, it is important that there is a potential difference between the electrodes. Therefore, there must be a significant difference in the metal to semiconductor contact area between the electrodes in order for a greater generation of charge to be created in one electrode compared to the other. The electrode that has the most accumulation Charge effectively becomes the negative terminal and the other electrode becomes the positive terminal. To maximize electrical generation in a radioisotope energy cell, it is desirable to use a relatively high energy level radiation source with a high activity density. However, most semiconductor materials cannot withstand such high energy levels and degrade structurally with exposure.
El óxido de zinc es un semiconductor de tipo n, pero se descarta en el campo como un material semiconductor muy pobre. Sin embargo, el presente inventor ha descubierto que el óxido de zinc demuestra una capacidad para soportar niveles de radiación de energía relativamente altos y una alta densidad de actividad.Zinc oxide is an n-type semiconductor, but is discarded in the field as a very poor semiconductor material. However, the present inventor has discovered that zinc oxide demonstrates an ability to withstand relatively high energy radiation levels and a high density of activity.
Desafortunadamente, las pruebas iniciales que emplearon óxido de zinc en el sistema de generación eléctrica propuesto dieron los resultados decepcionantes predichos por la opinión aceptada en el campo, que era que el ZnO es un material semiconductor pobre. A pesar de la capacidad de soportar altos niveles de radiación, la salida eléctrica generada fue insignificante.Unfortunately, initial tests that used zinc oxide in the proposed power generation system gave the disappointing results predicted by the accepted opinion in the field, which was that ZnO is a poor semiconductor material. Despite the ability to withstand high levels of radiation, the electrical output generated was negligible.
Sin embargo, cuando se realizaron pruebas para variar el espesor del óxido de zinc empleado en el sistema de generación eléctrica propuesto, se encontraron resultados sorprendentemente favorables cuando el óxido de zinc se proporcionó en forma de una capa o película suficientemente delgada. Para los objetivos de la presente descripción y reivindicaciones, "delgado" significa menos de aproximadamente 15 pm, y preferentemente menos de 10 pm.However, when tests were made to vary the thickness of the zinc oxide used in the proposed power generation system, surprisingly favorable results were found when the zinc oxide was provided in the form of a sufficiently thin layer or film. For the purposes of the present description and claims, "thin" means less than about 15 pm, and preferably less than 10 pm.
La figura 1 es un gráfico que muestra la variación en la corriente generada con la variación en el espesor del óxido de zinc en pruebas con un voltaje aplicado de 3V. En esta prueba, la corriente óptima fue a 1000 nm.Figure 1 is a graph showing the variation in current generated with the variation in thickness of zinc oxide in tests with an applied voltage of 3V. In this test, the optimal current was at 1000nm.
En experimentos prácticos, se formó una película delgada de óxido de zinc sobre un sustrato, mediante pulverización catódica de magnetrón por rf o deposición electroquímica de vapor, que tenía una superficie de 5 cm x 5 cm. El sustrato consistía en una primera capa de vidrio. A este respecto, el zafiro y el cuarzo también se consideran adecuados para esta primera capa. El sustrato consistió además en una capa de un material de óxido de metal dopado, que formó la superficie sobre la cual se depositó el óxido de zinc.In practical experiments, a thin film of zinc oxide was formed on a substrate by rf magnetron sputtering or electrochemical vapor deposition, which had an area of 5 cm x 5 cm. The substrate consisted of a first layer of glass. In this regard, sapphire and quartz are also considered suitable for this first layer. The substrate further consisted of a layer of a doped metal oxide material, which formed the surface on which the zinc oxide was deposited.
Esta capa de un material de óxido de metal dopado permitió que se formara el electrodo positivo más pequeño, separando así el electrodo positivo del óxido de zinc pero proporcionando una ruta de corriente debido a las propiedades semiconductoras del óxido de metal dopado. Los materiales de óxido de metal dopado adecuados incluyen, pero no se limitan a, óxido de estaño dopado con flúor y óxido de indio dopado con estaño.This layer of a doped metal oxide material allowed the smallest positive electrode to form, thereby separating the positive electrode from the zinc oxide but providing a current path due to the semiconductor properties of the doped metal oxide. Suitable doped metal oxide materials include, but are not limited to, fluorine-doped tin oxide and tin-doped indium oxide.
Se comprobó la idoneidad de varios materiales metálicos como electrodos, a saber, oro, cobre, aluminio y plata. Además, se examinaron diferentes configuraciones de electrodos, una primera mediante la cual el electrodo cubría una superficie completa de la capa de óxido de zinc y una segunda mediante la cual se utilizó una formación de rejilla en forma de peine o dedo en la superficie de óxido de zinc. El espesor general del material de electrodo metálico estaba en el intervalo de 100-1000 nm, y preferentemente 150 nm.The suitability of various metallic materials such as electrodes, namely gold, copper, aluminum and silver, was checked. In addition, different electrode configurations were examined, a first one where the electrode covered a complete surface of the zinc oxide layer and a second one where a comb or finger-shaped grid formation was used on the oxide surface zinc. The overall thickness of the metal electrode material was in the range of 100-1000nm, and preferably 150nm.
El oro y el cobre se depositaron utilizando técnicas de pulverización catódica, mientras que el aluminio y la plata se depositaron utilizando técnicas de evaporación térmica.Gold and copper were deposited using sputtering techniques, while aluminum and silver were deposited using thermal evaporation techniques.
Las diferentes muestras fueron expuestas a Sr-90. Los resultados encontraron que el oro, el aluminio y la plata producían curvas de voltaje de corriente lineales y simétricas en la unión metal-semiconductor, lo que sugiere un grado deseable de contacto óhmico entre estos metales y el óxido de zinc.The different samples were exposed to Sr-90. The results found that gold, aluminum, and silver produced linear and symmetrical current voltage curves at the metal-semiconductor junction, suggesting a desirable degree of ohmic contact between these metals and zinc oxide.
El cobre produjo resultados no lineales y asimétricos, indicativos de una barrera de Schottky, lo que sugiere que no es adecuado para los fines actuales.Copper produced nonlinear and asymmetric results, indicative of a Schottky barrier, suggesting that it is not suitable for current purposes.
Con respecto a las diferentes configuraciones, se observó una diferencia insignificante en los resultados. Esto sugiere que la configuración de rejilla tipo peine, que usa menos metal, es una opción viable. Se apreciará que se contemplan otras geometrías y configuraciones dentro del alcance de la presente invención.Regarding the different configurations, an insignificant difference was observed in the results. This suggests that the comb grid configuration, which uses less metal, is a viable option. It will be appreciated that other geometries and configurations are contemplated within the scope of the present invention.
De forma similar, se entenderá que la presente invención podría implementarse con diferentes metales, incluidas aleaciones, en la unión metal-semiconductor.Similarly, it will be understood that the present invention could be implemented with different metals, including alloys, at the metal-semiconductor junction.
Se realizaron pruebas con diferentes espesores de la capa de óxido de zinc entre 150 nm y 1500 nm.Tests were carried out with different thicknesses of the zinc oxide layer between 150 nm and 1500 nm.
Los resultados sorprendentes encontraron que a medida que el espesor aumentaba de 150 nm, la salida eléctrica generada también aumentaba hasta un espesor óptimo, después de lo cual, el aumento del espesor causaba una reducción en la salida eléctrica generada. Más allá de aproximadamente 1500 nm, la salida se volvió demasiado baja para fines prácticos. En consecuencia, las pruebas sugirieron un intervalo de espesor ideal para el óxido de zinc entre 150 nm y 1500 nm. El espesor óptimo variaba dependiendo de la selección de materiales.The surprising results found that as the thickness increased from 150nm, the generated electrical output also increased to an optimal thickness, after which the increased thickness caused a reduction in the electrical output generated. Beyond about 1500nm, the output became too low for practical purposes. Consequently, the tests suggested an ideal thickness range for zinc oxide between 150nm and 1500nm. The optimal thickness varied depending on the selection of materials.
El espesor óptimo variaba dependiendo de la selección de materiales. La figura 2 ilustra la variación en la corriente con espesor a una fuente de voltaje y radiación constante, pero con diferentes materiales y espesores de material. El material incluía plata en una configuración de electrodo de dedo; plata en electrodo completo; aluminio en una configuración de electrodo de dedo; aluminio en cobertura total; y oro en cobertura total.The optimal thickness varied depending on the selection of materials. Figure 2 illustrates the variation in current with thickness at a constant voltage and radiation source, but with different materials and material thicknesses. The material included silver in a finger electrode configuration; silver in full electrode; aluminum in a finger electrode configuration; aluminum in full coverage; and gold in full coverage.
En ciertas pruebas, el espesor óptimo era de 1000 nm, mientras que en otras pruebas el espesor óptimo era de 1250 nm, véanse las figuras 1 y 2. Sin embargo, el intervalo útil general de espesores se mantuvo razonablemente constante. Se espera que el espesor óptimo también pueda variar, dentro del intervalo, dependiendo de la elección del material de radionucleido.In certain tests the optimal thickness was 1000 nm, while in other tests the optimal thickness was 1250 nm, see Figures 1 and 2. However, the overall useful range of thicknesses remained reasonably constant. It is expected that the optimal thickness may also vary, within the range, depending on the choice of the radionuclide material.
Los materiales emisores beta alternativos que podrían usarse en implementaciones de la presente invención incluyen Pm-147, Ni-63 y Tritio, o cualquier otro material emisor beta adecuado. La presente invención es, en principio, capaz de usar otros tipos de material radiactivo, por ejemplo, fuentes de rayos X, fuentes gamma o cualquier otro material adecuado. Los radionucleidos pueden estar en cualquier forma química adecuada, y el material podría ser, en principio, una mezcla de diferentes radionucleidos o con otros materiales.Alternative beta emitter materials that could be used in implementations of the present invention include Pm-147, Ni-63 and Tritium, or any other suitable beta emitter material. The present invention is, in principle, capable of using other types of radioactive material, for example, X-ray sources, gamma sources, or any other suitable material. The radionuclides can be in any suitable chemical form, and the material could, in principle, be a mixture of different radionuclides or with other materials.
También se realizaron pruebas para variar la distancia y el ángulo de incidencia del material Sr-90 a la capa de óxido de zinc, que varía entre 2 mm y 350 mm, como se muestra en la figura 3. La figura 3 es un gráfico que muestra la variación de la corriente generada contra el voltaje aplicado, con distancias variables del radionucleido desde la capa de óxido de zinc.Tests were also carried out to vary the distance and angle of incidence of the Sr-90 material to the zinc oxide layer, which varies between 2 mm and 350 mm, as shown in Figure 3. Figure 3 is a graph that shows the variation of the generated current against the applied voltage, with variable distances of the radionuclide from the zinc oxide layer.
Como era de esperar, la mejor salida se produjo a la distancia más pequeña y la producción disminuyó a medida que aumentaba la distancia. Sin embargo, todavía hubo una salida apreciable en todo el intervalo probado, particularmente hasta aproximadamente 300 mm y un ángulo de <45°. Dadas las dimensiones de espesor del generador, este es un gran espacio y sugirió que una serie de disposiciones del generador podrían organizarse en una estructura en capas con el mismo material de radionucleidos, aumentando así la capacidad de salida eléctrica de una sola fuente de radionucleidos.As expected, the best output occurred at the smallest distance and production decreased as the distance increased. However, there was still an appreciable output throughout the tested range, particularly up to approximately 300mm and an angle of <45 °. Given the thickness dimensions of the generator, this is a large space and he suggested that a series of generator arrangements could be arranged in a layered structure with the same radionuclide material, thereby increasing the electrical output capacity of a single radionuclide source.
Ahora se describirán ejemplos de dispositivos de fuente de alimentación que emplean el sistema generador eléctrico. En la figura 4 se muestra un dispositivo básico de "capa única" 10. Como se muestra, el dispositivo 10 incluye un alojamiento 12, dentro del cual en su centro hay una capa de un radionucleido sellado 14, por ejemplo, Sr-90, Pm-147, Ni-63 o H-3. El alojamiento 12 puede estar formado por diversos materiales adecuados, como aluminio, acero, etc., y encierra una atmósfera de aire 28. El sello 16 puede ser aluminio, plástico, Mylar, otra aleación de metal adecuada o material similar con bajo Z (Z es el peso atómico). A cada lado del radionucleido 14 hay sustratos 18 (por ejemplo, sustratos de vidrio) que tienen una capa de óxido de indio dopado con estaño 20 y una fina capa de óxido de zinc 22 formada a continuación. Una alternativa al óxido de indio dopado con estaño puede ser el fluoruro de indio y estaño. El electrodo negativo principal 24 se forma en la otra superficie del óxido de zinc 22 y el electrodo positivo más pequeño 26 se forma en una superficie del óxido de indio 20 dopado con estaño. Los cables conductores 30 están conectados a ambos electrodos 24, 26 y conducen al exterior del alojamiento 12 para la conexión a una carga. En la figura 5 se muestra un dispositivo 110 de "doble capa". Cada lado del radionucleido central 114 tiene una disposición de dos capas de óxido de zinc 122, cada una con los electrodos correspondientes 124, 126, capas de óxido de metal dopado 120 y separadas por un sustrato aislante 132.Examples of power supply devices employing the electrical generator system will now be described. A basic "single layer" device 10 is shown in Figure 4. As shown, device 10 includes a housing 12, within which is at its center a layer of a sealed radionuclide 14, eg Sr-90, Pm-147, Ni-63 or H-3. The housing 12 can be formed of various suitable materials, such as aluminum, steel, etc., and encloses an air atmosphere 28. The seal 16 can be aluminum, plastic, Mylar, another suitable metal alloy or similar material with low Z ( Z is the atomic weight). On either side of the radionuclide 14 are substrates 18 (eg, glass substrates) having a tin doped indium oxide layer 20 and a thin layer of zinc oxide 22 formed below. An alternative to tin doped indium oxide may be indium tin fluoride. The main negative electrode 24 is formed on the other surface of the zinc oxide 22 and the smaller positive electrode 26 is formed on a surface of the tin doped indium oxide 20. Lead wires 30 are connected to both electrodes 24, 26 and lead to the outside of housing 12 for connection to a load. A "double layer" device 110 is shown in FIG. 5. Each side of the central radionuclide 114 has an arrangement of two zinc oxide layers 122, each with corresponding electrodes 124, 126, layers of doped metal oxide 120 and separated by an insulating substrate 132.
En la figura 6 se muestra un dispositivo 210 de "triple capa", en el que las capas de sustrato y ZnO están dispuestas en una disposición de sándwich. De manera similar a los otros ejemplos, un radionucleido 214 sellado central tiene una disposición de 3 capas de sustrato 232 a cada lado, con capas de ZnO 222, capas de óxido de metal dopado 220 y electrodos 224, 226.A "triple layer" device 210 is shown in Figure 6, in which the substrate and ZnO layers are arranged in a sandwich arrangement. Similar to the other examples, a central sealed radionuclide 214 has a 3-layer arrangement of substrate 232 on each side, with layers of ZnO 222, doped metal oxide layers 220, and electrodes 224, 226.
Como se apreciará, es posible seguir aumentando el número de capas y, como consecuencia, aumentar la producción eléctrica generada. El límite de cuántas capas se pueden emplear está dictado por qué tan lejos del material de radionucleidos se encuentra la capa más alejada.As will be appreciated, it is possible to continue increasing the number of layers and, as a consequence, to increase the electrical production generated. The limit on how many layers can be used is dictated by how far away from the radionuclide material is the layer.
Se apreciará que se pueden usar estructuras con más de una capa de radionucleido, con múltiples estructuras de sándwich agregadas para proporcionar un nivel de potencia deseado. También se entenderá que aunque la estructura descrita es generalmente de forma cuadrada, la estructura podría ser de cualquier forma deseada, y podría curvarse en una implementación adecuada, suponiendo que se puedan mantener los espacios apropiados. It will be appreciated that structures with more than one radionuclide layer can be used, with multiple sandwich structures added to provide a desired level of potency. It will also be understood that although the described structure is generally square in shape, the structure could be any desired shape, and could be curved in a suitable implementation, assuming that appropriate gaps can be maintained.
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